穆斯堡尔效应编辑

原子核辐射的无反冲

1957年，鲁道夫·穆斯堡尔在只含Ir的固体金属样本中，发现原子能够进行无反冲的γ射线共振发射及吸收。他所进行的实验是20世纪标志性的物理实验之一。此现象称为穆斯堡尔效应（其他呈现该效应的原子核也陆续被发现，如Fe），是穆斯堡尔谱学的中心原理，在物理学、化学、生物化学、冶金学和矿物学中都有重要的应用。论文发布的仅仅3年之后，即1961年，穆斯堡尔就因这一发现获得了诺贝尔物理学奖，获奖时年仅32岁。

穆斯堡尔效应(Mössbauer effect)，即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德国物理学家(Rudolf Ludwig Mössbauer， 1929-2011年)于1958年首次在实验中实现的，因此被命名为穆斯堡尔效应。应用穆斯堡尔效应可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用，是一种非常精确的测量手段，其能量分辨率可高达10-13，并且抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对样品无破坏。由于这些特点，穆斯堡尔效应一经发现，就迅速在物理学、化学、生物学、冶金学、矿物学、地质学等领域得到广泛应用。近年来穆斯堡尔效应也在一些新兴学科，如材料科学和表面科学开拓了应用前景。

内容诠释

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一般来说，伽玛射线是由核转变：从一个不稳定的高能量状态，到一个稳定的低能量状态。能源发出的伽玛射线对应的能量核的过渡，再减去一些能源，是失去反冲的发光原子。如果失去了“反冲能量”是比较小的能源线宽核的过渡，那么，伽玛射线能量仍相当于能量的核过渡和伽玛射线可由第二个原子的同一类型第一。这以后的排放量和吸收被称为共鸣。附加反冲能量也失去了在吸收，所以为了使共振发生的反冲能量必须实际上是不到一半的线宽为相应的核过渡。

图1

从能源总量中的反冲机构可以找到动量守恒：如图1

图2

其中pR是的反冲势头的问题，和Pγ的伽玛射线势头。替代能源的方程为：见图2

其中ER是能源损失反冲，γ是能量的伽玛射线，M是质量的排放或吸收的身体，c是光速的速度。因此大规模很小，如气体的排放和吸收机构的原子，造成大量能源反冲，防止共振。（请注意，同样的方程适用于反冲能量损失在X射线，但光子能量要小得多，从而降低能量损失，这就是为什么气相共振可以看到X射线。）

而作为一个整体反冲但反冲能源是微不足道的，因为M在上述方程的质量整体晶格。然而，能源的衰变可以采取的行动（或提供）晶格振动。能源这些振动单位称为声。

发现过程

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穆斯堡尔

理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一个γ射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时，就能够被共振吸收。但是实际情况中，处于自由状态的原子核要实现上述过程是困难的。因为原子核在放出一个光子的时候，自身也具有了一个反冲动量，这个反冲动量会使光子的能量减少。同样原理，吸收光子的原子核光子由于反冲效应，吸收的光子能量会有所增大。这样造成相同原子核的发射谱和吸收谱有一定差异，所以自由的原子核很难实现共振吸收。迄今为止，人们还没有在气体和不太粘稠的液体中观察到穆斯堡尔效应。

1957年底，穆斯堡尔提出实现γ射线共振吸收的关键在于消除反冲效应。如果在实验中把发射和吸收光子的原子核置于固体晶格中，那么出现反冲效应的就不再是单一的原子核，而是整个晶体。由于晶体的质量远远大于单一的原子核的质量，反冲能量就减少到可以忽略不计的程度，这样就可以实现穆斯堡尔效应。实验中原子核在发射或吸收光子时无反冲的概率叫做无反冲分数f，无反冲分数与光子能量、晶格的性质以及环境的温度有关。

穆斯堡尔使用191Os（锇）晶体作γ射线放射源，用191Ir（铱）晶体作吸收体，于1958年首次在实验上实现了原子核的无反冲共振吸收。为减少热运动对结果的影响，放射源和吸收源都冷却到88K。放射源安装在一个转盘上，可以相对吸收体作前后运动，用多普勒效应调节γ射线的能量。191Os经过β-衰变成为191Ir的激发态，191Ir的激发态可以发出能量为129 keV的γ射线，被吸收体吸收。实验发现，当转盘不动，即相对速度为0时共振吸收最强，并且吸收谱线的宽度很窄，每秒几厘米的速度就足以破坏共振。除了191Ir外，穆斯堡尔还观察到了187Re、177Hf、166Er等原子核的无反冲共振吸收。由于这些工作，穆斯堡尔被授予1961年的诺贝尔物理学奖。

发生原因

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穆斯堡尔光谱仪

穆斯堡尔效应的发生原因，是因为那里是一种有限的概率发生衰变不涉及声。因此，在一小部分的核事件（坐无分数），整个晶体作为反冲机构，这些事件基本上是坐无。在这些例子中，因为坐的能源是微不足道的，发出的伽玛射线具有适当的能量和共振可以发生。一般（取决于半衰期衰变），伽玛射线有非常狭隘的线宽。这意味着他们是非常敏感的小变化，能量的核过渡。事实上，γ射线可以用来作为探针观察相互作用及其核电子和它的邻居。这是基础，穆斯堡尔谱，它结合了穆斯堡尔效应的多普勒效应来监测这种相互作用。

零声光转换，这个过程类似于密切的穆斯堡尔效应，可以看到晶格方向发色团在低温条件下。

实际应用

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粒子跃迁

截至2005年上半年，人们已经在固体和粘稠液体中实现了穆斯堡尔效应，样品的形态可以是晶体、非晶体、薄膜、固体表层、粉末、颗粒、冷冻溶液等等，涉及40余种元素90余种同位素的110余个跃迁。然而大部分同位素只能在低温下才能实现穆斯堡尔效应，有的需要使用液氮甚至液氦对样品进行冷却。在室温下只有57Fe、119Sn、151Eu三种同位素能够实现穆斯堡尔效应。其中57Fe的 14.4 keV 跃迁是人们最常用的、也是研究最多的谱线。

实验条件

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穆斯堡尔效应对环境的依赖性很高。细微的环境条件差异会对穆斯堡尔效应产生显著的影响。在实验中，为减少环境带来的影响，需要利用多普勒效应对γ射线光子的能量进行细微的调制。具体做法是令γ射线辐射源和吸收体之间具有一定的相对速度，通过调整v的大小来略微调整γ射线的能量，使其达到共振吸收，即吸收率达到最大，透射率达到最小。透射率与相对速度之间的变化曲线叫做穆斯堡尔谱。应用穆斯堡尔谱可以清楚地检查到原子核能级的移动和分裂，进而得到原子核的超精细场、原子的价态和对称性等方面的信息。应用穆斯堡尔谱研究原子核与核外环境的超精细相互作用的学科叫做穆斯堡尔谱学。请参考条目穆斯堡尔谱学。

穆斯堡尔谱的宽度非常窄，因此具有极高的能量分辨本领。例如57Fe的 14.4 keV 跃迁，穆斯堡尔谱宽度与γ射线的能量之比ΔE/E~10-13，67Zn的 93.3 keV 跃迁ΔE/E~10-15，107Ag的93 keV 跃迁ΔE/E~10-22。因此穆斯堡尔效应一经发现就在各种精密频差测量中得到广泛应用。

实验应用

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引力红移

测量引力红移 —— 引力引起的红移量一般小于10-10数量级，历史上应用穆斯堡尔效应首先对其进行了精密测量。相对论预言，由于地球上不同高度引力势能不同，会引起光子离开地球时在不同高度的频率不同，相差20米带来的频率测量变化为2×10-15。1960年，庞德和里布卡利用穆斯堡尔效应测量到了这个微小的变化。

在中国，世界公认的最杰出的女性物理学家，被誉为“核子物理女皇”和中国的居里夫人的吴健雄，在1959年穆斯堡尔效应发现之后，吴健雄对它进行了深入的研究，将穆斯堡尔光谱法用于生物学中大分子的结构研究。为了证实轻子数在弱作用中守恒律的有效性，吴健雄等在深达2000余英尺的纯盐矿中安置了测量双β衰变仪器，证明了轻子数守恒到10-3以上。在类似问题上，也得到了解决和证明或一定程度上的澄清。

验证迈克尔逊-莫雷实验

图3

1970年，伊萨克(G.R.Isaak)利用穆斯堡尔效应测量了地球相对于以太的速度。

实验原理是基于经典力学多普勒频移结果。假设一频率为f的光波包在以太静止参考系K中传播，参考系K’相对参考系以速度v运动。则在K’参考系中波包产生频移。

在运动参考系K'中，波包垂直X轴向上运动。去掉K'参考系，在以太静止参考系K中波包的运动和观测者的运动如图3所示。波包和观测者在X轴方向有同向运动，则观测者观测到波包频率产生红移，去掉观测者，就是说在K'参考系中波包频率红移。所以经典力学多普勒频移认为从移动光源运动方向垂直方向观测移动光源产生红移。

穆斯堡尔效应

在S参考系中红球围绕蓝球做圆周运动。如果S参考系在以太中静止，以运动的红球为参考系，则运动方向法线上的蓝球观测到红球发出的光波产生红移。如果S参考系在以太中运动，速度为U，则红球在以太中运动速度从U+V到U-V规律变化。以红球为参考系，法线上的蓝球观测到红球发出的光波产生红移也随之规律变化。

穆斯堡尔效应

穆斯堡尔效应以太漂移实验为一发射体和一吸收体放在一根长为2R的木棍两端，木棍围绕其中心运动。则吸收体观测到红球的频移变化翻倍。实验测得以太速度的上限为5×10-5 km/s，基本证实了不存在地球相对于以太的运动。

以太飘移实验原理质疑

上述分析中，使用了脱离光源的波包，假定脱离光源的波包频率恒定（频率恒定的是光源，而不是波包），并用参考系替代观测者，所以对问题的分析比较片面。要全面分析多普勒效应不能离开波源与观测者。

穆斯堡尔效应

也有人对运动光源垂直方向观测光源产生红移的理解是：当波包离开光源后在静止以太参考系中运动，那么在运动的K参考系中波包的运动方向与光源的运动方向夹角β大于90度。而观测者运动与波包运动方向正好垂直，即α等于90度。这个理解也有误区，因为波源运动方向与波包运动方向的夹角值β大于90度是以静止的以太参考系为准，而观测者运动方向与波包运动方向的夹角值α等于90度是以运动参考系为准。

对该问题的合理分析必须要在同一个参考系中。在运动参考系保持静止的观测者与光源，在绝对静止的参考系中他们的运动速度与方向相同。则夹角α +β =180度。根据经典力学多普勒频移公式

计算可得出观测者与光源不产生频移。

从移动光源运动方向垂直方向观测移动光源不一定产生红移，所以穆斯堡尔效应以太飘移实验从原理上不合理。

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